技术领域本发明属于机器鱼技术领域，具体来说涉及一种仿生智能机器鱼的控制系统。
背景技术：
鱼类是地球上最早的脊推动物，在大自然中经过了至少5亿年的进化，其外形构造以及运动原理非常适合水下生活。鱼类的游动具有以下特点：1）、运动效率高，阻力小；2）、机动性高;鱼类具有很好的启动，加速，转向，制动，悬停，上升下潜等机动能力；3）、噪声小、对环境的扰动小。随着仿生学的发展，国内外越来越多的学者致力于研究仿生机器鱼，仿照鱼类的外形以及游动机理，制造出仿生机器鱼使之具有高效、灵活的水下巡游能力，仿生机器鱼的功能也越来越完善，仿生机器鱼的应用领域已涵盖了科学、教育和娱乐等领域。目前，虽然对大多数仿生机器鱼研究很多，仿生机器鱼的功能也越来越多，如红外避障、水压检测、鱼尾灵活摆动、沉浮机构等等，但是大多数的仿生机器鱼的控制系统稳定性差，仿生机器鱼在水下工作时会出现的一些故障，比如：对外通信模块失效导致机器鱼失去控制、红外避障功能模块失效导致机器鱼装上障碍物等，以及当出现这些故障时不能及时的解决，导致出现一些不必要的损失。
技术实现要素：
本发明提供了一种仿生智能机器鱼的控制系统，解决了现有技术中仿生机器鱼的控制系统稳定性差的技术问题。为了实现上述目的，本发明专利的技术方案如下：一种仿生智能机器鱼的控制系统，包括顶级控制系统、主控制系统和副控制系统，所述顶级控制系统包含仿生智能机器鱼主控制系统，仿生智能机器鱼的主控制系统包含了副控制系统；所述副控制系统包括红外感知避障功能模块、水体压力测试功能模块、鱼尾摆动控制功能模块、姿态控制功能模块和无线通信功能模块，这些模块的功能保证仿生智能机器鱼的基本工作状态，也是最重要的一些功能模块，如果其中某个模块功能失效，则仿生机器鱼将会出现较严重的故障。所述主控制系统除了具有副控制系统的所有功能模块外，还具有鱼眼控制功能模块、鱼嘴控制功能模块和电源管理功能模块，这些功能为辅助功能，保证仿生机器鱼更好的工作；所述主控制系统还包括八个备用槽，所述备用槽作为主系统升级扩充功能的备用接口。顶级控制系统除了具有主、副控制系统的所有功能模块外，还包括上个人计算机系统、手机控制设备、平板电脑以及手持控制终端设备。副控制系统为仿生智能机器鱼的备用应急系统，当主控制系统出现错误或规定操作以外的状况使仿生智能机器鱼失去控制时，副控制系统启动。为了简化了硬件的设计和系统结构，使整个系统结构清晰、系统扩充性好，仿生智能机器鱼控制系统采用总线结构，所述总线结构为由主总线和副总线构成的二级总线连接。连接在主总线上面的功能模块包括主设备和从设备，其中主设备为ARM型主系统控制器，从设备包括MCU型副系统控制器、鱼眼控制模块、鱼嘴控制模块、电源管理模块、备用功能模块、红外传感器模块、直流电机控制模块、伺服电机控制模块以及水压检测模块，所述ARM型主系统控制器分别与主总线上从设备的各功能模块之间电连接。为了保证仿生智能机器鱼能够与个人计算机系统、手机控制设备、平板电脑以及手持控制终端设备正常通信，无线通信功能模块包括Wifi通信模块和/或433MHz水下无线通信模块。ARM型主系统控制器通过Wifi通信模块和/或433MHz水下无线通信模块与个人计算机系统、手机控制设备、平板手持控制设备以及手持控制终端进行无线通信；当ARM型主系统控制器失效时，MCU型副系统控制器只能通过433MHz水下无线通信模块与个人计算机系统、手机控制设备、平板手持控制设备以及手持控制终端进行无线通信；副总线的主设备为MCU型副系统控制器，副总线上面挂载的从设备都是同时挂载在主总线上面的从设备，包括红外传感器模块、直流电机模块、伺服电机模块以及水压检测模块，所述MCU型副系统控制器与副总线上从设备的各功能模块之间电连接。无线通信模块包括无线路由器，无线路由器提供了整个仿生机器鱼控制系统数据快速传输的Wifi网络连接平台。当仿生智能机器鱼浮在水面时，仿生智能机器鱼通过无线路由器与具有Wifi功能的个人计算机系统、手机控制设备、平板电脑手持控制设备以及手持控制终端的一种或几种进行通信。当仿生智能机器鱼处在水下状态时，采用控制信号低速传输的433MHz水下通讯模块进行通信，具有Wifi功能的手持控制终端通过无线电波向仿生智能机器鱼发送控制信号，仿生智能机器鱼通过无线电波向具有Wifi功能的手持控制终端发射回复信号。仿生智能机器鱼的控制系统包括以下六个状态机：初始状态、主控制系统工作状态、主控制系统控制定时巡航状态、主控制系统控制上浮状态、副控制系统工作状态、副控制系统控制上浮状态。当仿生智能机器鱼的控制系统刚刚启动时状态机处于初始状态；当仿生智能机器鱼的控制系统在初始状态中正常初始化完毕后，状态机转移到主控制系统工作状态，这时主控制系统会定时向副控制系统发送待机命令。当主控制系统响应顶级控制系统的命令指示并与顶级控制系统建立连接，如果主控制系统接收顶级控制系统的命令超时，状态机转移到主控制系统控制定时巡航状态；当主控制系统响应顶级控制系统命令超时，由副控制系统响应命令并且状态机转移到副控制系统工作状态。若状态机处在主控制系统控制定时巡航状态时，主控制系统将请求连接顶级控制系统并定时向副控制系统发送待机命令，当主控制系统成功地与顶级控制系统建立连接后，状态机转移到主控制系统工作状态；否则由副控制系统响应待机命令，状态机不变，仍为主控制系统控制定时巡航状态，当副控制系统待机命令接收超时，状态机转移到副控制系统控制上浮状态；当主控制系统巡航定时超时，状态机转移到主控制系统控制上浮状态。若状态机处在主控制系统控制上浮状态，主控制系统继续定时地向顶级控制系统请求连接并向副控制系统发送待机命令，如果同顶级控制系统建立连接成功，则状态机将转移到主控制系统工作状态，否则副控制系统响应待机命令，则继续保持主控制系统控制上浮状态直到仿生智能机器鱼成功上浮，如果副控制系统响应待机命令超时，则状态机将转移到副控制系统控制上浮状态。若状态机处在副控制系统工作状态，如果主控制系统重新和顶级控制系统建立连接且成功响应命令，则状态机转移到主控制系统工作状态，否则副控制系统将继续响应顶级控制系统命令。若状态机处在副控制系统控制上浮状态，如果副控制系统顺利连接到顶级控制系统则状态机转移到副控制系统工作状态；否则如果副控制系统成功连接到主控制系统则状态机转移到主控制系统控制定时巡航状态；如果没有顶级控制系统和主控制系统的任何响应条件下状态机将一直处于副控制系统控制上浮状态直至成功上浮。本发明采用上述技术方案具有如下明显的技术效果：1、本发明所述的仿生智能机器鱼的控制系统，采用主控制系统和副控制系统的双控制系统结构，当主控制系统出现错误或规定操作以外的状况使仿生智能机器鱼失去控制时，副控制系统启动，则提高了仿生智能机器鱼控制系统的稳定性和安全性能。2、本发明所述的仿生智能机器鱼的控制系统，通过无线通信模块使得控制器与个人计算机、手持终端控制等进行数据传送，保证仿生智能机器鱼与顶级控制系统的通信。3、本发明所述的仿生智能机器鱼的控制系统，所述无线通信功能模块包括Wifi通信模块和/或433MHz水下无线通信模块，当机器鱼处于水面时，通过Wifi通信模块和433MHz水下无线通信模块与个人计算机系统、手机控制设备、平板手持控制设备以及手持控制终端进行无线通信；当机器鱼处于水中时，通过433MHz水下无线通信模块与个人计算机系统、手机控制设备、平板手持控制设备以及手持控制终端进行无线通信。针对机器鱼的所处不同状态选择不同通信方式，则保证了机器鱼与上位机之间更稳定的进行通。4、本发明所述的仿生智能机器鱼的控制系统，通过采用总线结构，简化了硬件的设计和系统结构，使整个控制系统结构清晰、系统扩充性好。5、本发明所述的仿生智能机器鱼的控制系统，通过控制系统的六个状态机，更加精确的控制仿生智能机器鱼的工作状态，当某一个状态出现故障时，及时向其他状态切换，保证仿生智能机器鱼整个系统的稳定性运行。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1显示了本发明仿生智能机器鱼的结构示意图；图2显示了图1的剖视图；图3显示了本发明所述仿生智能机器鱼控制系统的结构框图；图4显示了本发明所述仿生智能机器鱼控制系统的系统总线结构示意图；图5显示了本发明所述仿生智能机器鱼控制系统的通信架构示意图；图6显示了本发明所述仿生智能机器鱼控制系统的系统状态机示意图。具体实施方式为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1、2所示，一种仿生智能机器鱼，具有流线型外壳，以生物鱼的形态结构分为鱼头1、鱼身2、鱼尾3，所述鱼身2包括第一部分21、第二部分22、第三部分23、第四部分24，其中，第一部分21与第二部分22之间固定连接，第二部分22与第三部分23之间通过第一驱动机构201转动连接，第三部分23与第四部分24之间通过第二驱动机构202转动连接，第四部分24与鱼尾3之间通过第三驱动机构203转动连接。所述第一部分21内设置有控制模块211、充电电池213和沉浮机构212，充电电池213与控制模块211之间电连接，用于给整个仿生智能机器鱼提供电能；沉浮机构212固定设置于控制模块211的下方，且处于仿生机器鱼长度方向的中间位置，沉浮机构212包括配重滑块、丝杆、直流电机和线性位置传感器，所述丝杆沿仿生智能机器鱼鱼身长度方向设置，配重滑块设置在丝杆上且与丝杆螺纹连接，丝杆固定在直流电机转轴的输出端上，线性位置传感器与配重滑块连接在一起，且直流电机和线性位置传感器分别与控制模块电连接。鱼头的壳体上设置有鱼嘴12、鱼眼11；所述鱼嘴12中设置有舵机13，舵机13的输出轴与鱼嘴12的下颌固定连接，舵机13与控制模块211之间电连接，鱼嘴12的上颌设置有电源总开关14。所述两个鱼眼11分别包括液晶显示屏111和扣设在显示屏上的半球形透镜112，液晶显示屏111与控制模块211之间电连接。所述鱼眼11除了能表现出真实鱼眼的效果，还能起到仿生机器鱼的状态显示功能，比如机器鱼内电池组电量低时，鱼眼显示红色。所述鱼头上还设置有第一红外传感器151、第二红外传感器152和第三红外传感器153和水体压力传感器16。所述水体压力传感器16设置在鱼头的下部，且与控制模块211之间电连接，水体压力传感器16实时将检测的压力值发送给控制模块211，控制模块将211压力值换算为机器鱼所在处水的深度，根据机器鱼所处的水深度值来驱动直流电机的转动方向，从而带动配重滑块在丝杆上的滑动方向，改变机器鱼的重心位置，使鱼体头尾产生上下倾斜，同时配合尾部摆动达到上浮和下潜的效果。所述第一红外传感器151、第二红外传感器152分别设置在鱼头的两侧，第三红外传感器153设置在鱼头的下部，所述第一红外传感器151、第二红外传感器152和第三红外传感器153分别设置在鱼头内的与的红外传感器电路板电连接，红外传感器电路板与控制模块211之间电连接。仿生机器鱼头部分设置的红外距离传感器，可以有效感知鱼体前方的障碍物，达到避障的作用。所述第一部分21内部还设置有九轴姿态传感器214，九轴姿态传感器214与控制模块211之间电连接。当机器鱼整体左、右倾斜超过30度时，九轴姿态传感器214会把检测信号传送给控制模块211，控制模块211控制沉浮机构212工作，改变机器鱼的重心，从而对整个鱼体的姿态实现闭环控制，使鱼体工作在稳定平衡的状态。如图3所示，基于上述仿生智能机器鱼的结构，仿生智能机器鱼的控制系统包括顶级控制系统4、主控制系统5和副控制系统6，所述顶级控制系统4包含主控制系统5，主控制系统5包含了副控制系统6；所述副控制系统6包括红外感知避障功能模块、水体压力测试功能模块、鱼尾摆动控制功能模块、姿态控制功能模块和无线通信功能模块。其中，红外感知避障功能模块用来对第一红外传感器151、第二红外传感器152和第三红外传感器153的控制，水体压力测试功能模块用来对水体压力传感器16的控制，鱼尾摆动控制功能模块用来对第一驱动机构201、第二驱动机构202和第三驱动机构203进行控制，姿态控制功能模块用来对九轴姿态传感器214控制，这些模块的功能保证仿生智能机器鱼的基本工作状态，也是最重要的一些功能模块，如果其中某个模块功能失效，则仿生机器鱼将会出现较严重的故障。所述主控制系统5除了具有副控制系统6的所有功能模块外，还具有鱼眼控制功能模块、鱼嘴控制功能模块和电源管理功能模块。其中，鱼眼控制功能模块用来对液晶显示屏111控制，鱼嘴控制功能模块用来对舵机13进行控制，电源管理功能模块用来对充电电池213的充电和电量检测进行控制，这些功能为辅助功能，保证仿生机器鱼更好的工作；所述主控制系统5还包括八个备用槽，所述备用槽作为主控制系统5升级扩充功能的备用接口。顶级控制系统4除了具有主控制系统5和副控制系统6的所有功能模块外，还包括个人计算机系统、手机控制设备、平板电脑以及手持控制终端设备。副控制系统6为仿生智能机器鱼的备用应急系统，当主控制系统5出现错误或规定操作以外的状况使仿生智能机器鱼失去控制时，副控制系统6启动并控制仿生智能机器鱼的相应功能模块。如图4所示，为了简化了硬件的设计和系统结构，使整个系统结构清晰、系统扩充性好，仿生智能机器鱼控制系统采用总线结构，所述总线结构为由主总线7和副总线8构成的二级总线连接。连接在主总线7上面的功能模块包括主设备和从设备，其中主设备为ARM型主系统控制器71，从设备包括MCU型副系统控制器81、鱼眼控制模块、鱼嘴控制模块、电源管理模块、备用功能模块、红外传感器模块、直流电机控制模块、伺服电机控制模块以及水压检测模块。为了保证仿生智能机器鱼能够与个人计算机系统、手机控制设备、平板电脑以及手持控制终端设备正常通信，无线通信功能模块包括Wifi通信模块9和/或433MHz水下无线通信模块10。ARM型主系统控制器71通过Wifi通信模块9和/或433MHz水下无线通信模块10与个人计算机系统、手机控制设备、平板手持控制设备以及手持控制终端进行无线通信；当ARM型主系统控制器71失效时，MCU型副系统控制器81只能通过433MHz水下无线通信模块10与个人计算机系统、手机控制设备、平板手持控制设备以及手持控制终端进行无线通信；副总线的主设备为MCU型副系统控制器81，副总线上面挂载的从设备都是同时挂载在主总线上面的从设备，包括红外传感器模块、直流电机模块、伺服电机模块以及水压检测模块。如图5所示，无线通信模块包括无线路由器9，所示无线路由器9提供了整个仿生机器鱼控制系统数据快速传输的Wifi网络连接平台。当仿生智能机器鱼浮在水面时，仿生智能机器鱼通过无线路由器9与具有Wifi功能的个人计算机系统、手机控制设备、平板电脑手持控制设备以及手持控制终端的一种或几种进行通信。当仿生智能机器鱼处在水下状态时，采用控制信号低速传输的433MHz水下通讯模块10进行通信，具有Wifi功能的手持控制终端通过无线电波向仿生智能机器鱼发送控制信号，仿生智能机器鱼通过无线电波向具有Wifi功能的手持控制终端发射回复信号。如图6所示仿生智能机器鱼的控制系统包括以下六个状态机：初始状态1001、主控制系统工作状态1002、主控制系统控制定时巡航状态1003、主控制系统控制上浮状态1004、副控制系统工作状态1005、副控制系统控制上浮状态1006。当仿生智能机器鱼的控制系统刚刚启动时状态机处于初始状态1001；当仿生智能机器鱼的控制系统在初始状态中正常初始化完毕后，状态机转移到主控制系统工作状态1002，这时主控制系统5会定时向副控制系统6发送待机命令。当主控制系统5响应顶级控制系统4的命令并与顶级控制系统4建立连接，如果主控制系统5接收顶级控制系统4的命令超时，状态机转移到主控制系统控制定时巡航状态1003；当主控制系统5响应顶级控制系统4命令超时，由副控制系统6响应命令并且状态机转移到副控制系统工作状态1005。若状态机处在主控制系统控制定时巡航状态1003时，主控制系统5将请求连接顶级控制系统4并定时向副控制系统6发送待机命令，当主控制系统5成功地与顶级控制系统4建立连接后，状态机转移到主控制系统工作状态1002；否则由副控制系统6响应待机命令，状态机不变，仍为主控制系统控制定时巡航状1003态，当副控制系统6待机命令接收超时，状态机转移到副控制系统控制上浮状态1006；当主控制系统5巡航定时超时，状态机转移到主控制系统5控制上浮状态。若状态机处在主控制系统控制上浮状态1004，主控制系统5继续定时地向顶级控制系统4请求连接并向副控制系统6发送待机命令，如果同顶级控制系统4建立连接成功，则状态机将转移到主控制系统工作状态1002，否则副控制系统6响应待机命令，则继续保持主控制系统5控制上浮状态直到仿生智能机器鱼成功上浮，如果副控制系统6响应待机命令超时，则状态机将转移到副控制系统控制上浮状态1006。若状态机处在副控制系统工作状态1005，如果主控制系统5重新和顶级控制系统4建立连接且成功响应命令，则状态机转移到主控制系统工作状态1002，否则副控制系统6将继续响应顶级控制系统4命令。若状态机处在副控制系统控制上浮状态1006，如果副控制系统6顺利连接到顶级控制系统4则状态机转移到副控制系统工作状态1005；否则如果副控制系统6成功连接到主控制系统5则状态机转移到主控制系统控制定时巡航状态1003；如果没有顶级控制系统4和主控制系统5的任何响应条件，则状态机将一直处于副控制系统控制上浮状态1006直至成功上浮。根据上述仿生智能机器鱼的控制系统的六个状态机以及可靠地控制系统，保证仿生机器鱼在水下正常。本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。